橡膠-粉煤灰基礦井底板裂隙注漿材料性能的試驗研究

張文泉 ，朱先祥 ，李 松 ，劉 勇 ，吳緒南 ，陳 兵

（1.山東科技大學(xué) 災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室, 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院 , 山東 青島 266590；3.國家能源投資集團有限責任公司總調(diào)度室, 北京 100010）

0 引 言

我國煤炭資源分布不均勻，呈現(xiàn)“西多東少、北富南貧”的狀態(tài)，山東、安徽等地煤炭開采已趨于開采后期，煤層埋藏深，埋藏環(huán)境復(fù)雜。已探明，大量煤炭資源受底板承壓水害威脅，隨著開采深度的不斷增加，底板承壓水壓力變大、隔水層變薄、構(gòu)造復(fù)雜，底板水害防治難度也隨之增大[1-2]。

底板水害防治辦法主要是疏水降壓、注漿加固[3-4]。當井下含水層富水性強時，注漿加固是最優(yōu)解決方法。目前，底板注漿加固材料層出不窮，大多采用黏土基、水泥基，再輔以不同骨料、添加劑來實現(xiàn)速凝、抗動水沖刷、早強等需求[5]。隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展，提出了建設(shè)綠色礦山的要求，而多種固廢產(chǎn)物的資源化利用，可為固廢注漿材料研制提供新的方向。

截至2022 年，中國廢棄輪胎存量約為2 146 萬t，傳統(tǒng)處置方法如簡單堆積或掩埋不僅占用土地，而且易滋生蚊蟲、引發(fā)火災(zāi)，對生態(tài)環(huán)境造成極大危害[6-7]。由于廢棄輪胎具備質(zhì)量輕、化學(xué)穩(wěn)定性好、高彈性等優(yōu)點，在巖土領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[8-9]，辛凌等[10-11]得出了輕質(zhì)土中摻入橡膠顆?？梢蕴岣咴嚇拥膹椥宰冃?，提高其延展性；嚴捍東等[12]得出了砂漿摻入橡膠顆粒可以改善其和易性，降低因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形；劉方成等[13-14]分析了不同橡膠摻量下固結(jié)材料的力學(xué)性能，橡膠顆粒的摻量增加可以降低橡膠砂的偏應(yīng)力，起到減震吸能效果；PRESTI[15]對過去濕法工藝合成橡膠瀝青結(jié)合料的相關(guān)成果總結(jié)，證實了廢棄橡膠顆粒在道路鋪設(shè)、提高路面性能有良好的效果。從國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒僅應(yīng)用在公路路基、垃圾填埋場的回填等，在煤礦突水注漿加固領(lǐng)域的應(yīng)用較少。

粉煤灰是燃煤電廠發(fā)電過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物[16-17]，因其良好的減水性、潤滑性，應(yīng)用范圍較廣。陳禮儀等[18]對以活性粉煤灰為主要成分研制出了高強度新型注漿材料；萬志[19]針對水利與巖土工程中的滲流問題，分析了粉煤灰摻量對水泥水玻璃漿液的防滲性能的影響；ZHANG 等[20]開展了以粉煤灰為主體，結(jié)合添加劑研制了一種新型高強度、高抗?jié)B性能的注漿材料。當前，針對粉煤灰利用研究取得了很大的進展，但仍存在粉煤灰摻量低、注漿材料穩(wěn)定性差、成本高等問題。

現(xiàn)階段礦井仍存在礦井底板突水[21-23]、圍巖巷道失穩(wěn)[24]等主要難題，注漿加固是目前行之有效的辦法，當前所采用的注漿材料多以水泥漿、化學(xué)漿為主，雖可注性強、黏聚力高，但價格昂貴、對地下環(huán)境多有污染，使用受到較大限制。借此，亟待尋求一種強度高、易流動、穩(wěn)定性強、抗?jié)B效果好、成本低的注漿材料。以此為目標，采用粉煤灰、廢棄橡膠顆粒與黏土為主料，輔以外加劑，通過優(yōu)化配比、納米增強等手段進行了固廢高性能注漿材料的研究，可為礦山注漿加固材料選取提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

1）廢棄輪胎橡膠顆粒。由河北靈壽縣加工生產(chǎn)，粒徑為1～3 mm，表觀密度為1 250 kg/m3，化學(xué)組成成分見表1，顆粒形態(tài)如圖1 所示。

圖1 廢棄輪胎橡膠顆粒Fig.1 Rubber particles of waste tires

表1 橡膠顆?；瘜W(xué)組成成分Table 1 Chemical composition of rubber particles

2）粉煤灰。由山東鄒城電廠生產(chǎn)，粉煤灰的顏色為灰白色，平均粒徑約為25 m，所用粉煤灰的基本特征如下，化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of fly ash

3）黏土。由山東泰安新查莊煤礦提供，呈暗紅色，黏土中主要的化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，含有少量Fe2O3，其化學(xué)成分見表3。

表3 黏土的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of clay

4）添加劑。試驗所用激發(fā)劑為山東青島生產(chǎn)的生石灰，色白，研磨后過篩，經(jīng)測定有效CaO 的含量為73%；試驗所用固結(jié)劑為山東青島生產(chǎn)的常用親水型納米二氧化硅，俗稱白炭黑，比表面積為148 m2/g，主要成分為SiO2。

1.2 試驗方法

流動度：參照《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50448-2015），利用截錐圓模測試制漿3 min后漿液流動最大直徑。

強度測試：參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)，將試樣制成圓柱形標準試塊(50 mm×100 mm)，分別進行標準養(yǎng)護和礦井水養(yǎng)護，采用島津萬能試驗機測定其單軸抗壓強度。

穩(wěn)定性測試：參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ 82-1985），采集山東礦區(qū)底板水樣，對采集水樣進行酸堿離子檢測，并將標準養(yǎng)護后的試樣放入水中浸泡規(guī)定齡期，觀察浸泡后注漿結(jié)石體的宏觀特征。

抗?jié)B測試：參照《混凝土質(zhì)量控制標準》(GB 50164-2011)，將漿體制成上下面直徑為75 mm×85 mm、高5 mm 的圓臺試樣，利用SS-15 型砂漿抗?jié)B儀進行抗?jié)B壓力測試。

2 試驗設(shè)計

底板注漿材料最重要指標為漿液在底板裂隙中的流動、注漿后結(jié)石體強度以及長期抵抗底板水滲透的穩(wěn)定性。廢棄橡膠顆粒與納米二氧化硅所占注漿材料質(zhì)量分數(shù)對注漿材料的整體性能具有顯著影響[25-26]，因此，設(shè)計2 因素5 水平正交試驗，橡膠顆粒為0 作為對照組，共設(shè)計18 組正交試驗，水灰比恒定為0.7，粉煤灰質(zhì)量分數(shù)恒定，為固體粉料的65%，黏土隨橡膠顆粒的質(zhì)量分數(shù)變化而變化，質(zhì)量分數(shù)較小且對注漿結(jié)石體早期強度影響較小，激發(fā)劑為整體粉料質(zhì)量分數(shù)的0.5%，故不單獨分析二者變化對注漿結(jié)石體的影響，具體試驗配比見表4，具體試驗過程如圖2 所示。

圖2 固廢注漿材料試驗過程Fig.2 Solid waste grouting material test process

表4 固廢注漿材料試驗配比設(shè)計Table 4 Solid waste grouting material test ratio

3 試驗結(jié)果分析

3.1 新型注漿材料流動度分析

注漿材料在底板裂隙內(nèi)的流動特性至關(guān)重要，橡膠顆粒的粗糙表面極易引起注漿材料的流動延緩[8]，因此，需要針對漿體的流動度開展試驗。試驗過程如圖3 所示，試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖3 注漿材料漿體流動度試驗結(jié)果Fig.3 Slurry flow test of grouting material

圖4 不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)對漿體流動度的影響Fig.4 Effect of different rubber particle admixture on the flow of slurry

圖4 為不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)對漿體流動度的影響情況。當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)由0 增大到25%時，漿液流動度從324 mm 降低至290 mm，降幅為10.5%。表明，隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的不斷增加，漿體的流動度不斷降低，流動性能變差。分析可知，漿液流動度降低的主要原因是橡膠顆粒具有憎水性，且隨著橡膠顆粒的增加，漿液表面張力增大，導(dǎo)致流動阻力增大，導(dǎo)致漿液的流動性隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。根據(jù)目前砂漿流動要求，漿液流動度需大于180 mm，從圖4 可以看出，每組漿液流動度均大于280 mm，完全符合標準。

3.2 新型注漿材料力學(xué)性能分析

注漿材料注入底板裂隙固化后，隨著開采深度逐漸增大，圍壓也不斷增大。首先，注漿材料能夠較密實充填底板裂隙，抵御預(yù)突水時的靜水壓力；其次，注漿加固能夠降低底板裂隙的導(dǎo)水機率，增強底板的延展性和抗壓縮模量。針對不同養(yǎng)護齡期的注漿結(jié)石體開展單軸壓縮試驗，獲得抗壓強度，從不同橡膠顆粒與二氧化硅的質(zhì)量分數(shù)出發(fā)，分析注漿材料固結(jié)后的抗壓強度特性。

3.2.1 橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)對試樣強度影響情況

只改變橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)，納米SiO2質(zhì)量分數(shù)恒定為固體粉料質(zhì)量分數(shù)的1%，制得標準試樣。圖5為不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的抗壓強度結(jié)果。從圖5可知：注漿結(jié)石體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值受橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的影響，隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，注漿結(jié)石體的初始模量逐漸減小，呈現(xiàn)延性破壞特征。

圖5 不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)注漿結(jié)石體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of grouting stones with different content of rubber particles

廢棄橡膠顆粒屬于線彈性材料，隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，注漿結(jié)石體的強度非線性特性減弱，其強度極限逐漸降低?；趹?yīng)變考慮，注漿結(jié)石體的極限應(yīng)變隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)增加而增加，說明橡膠顆粒影響注漿結(jié)石體的彈性形變，且在外力作用下，橡膠顆粒能夠中和部分注漿結(jié)石體的內(nèi)應(yīng)力，降低內(nèi)部原生裂紋的發(fā)生概率，使其自身力學(xué)性能得到一定程度改善。

注漿結(jié)石體的變形特性介于脆性材料與彈塑性材料之間?？梢钥闯?，在橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)一定時，隨著壓縮應(yīng)力增大，注漿結(jié)石體的變形特性由初始的彈塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǔ潭鹊拇嘈云茐模撈茐男问脚c現(xiàn)有注漿材料的破壞形式是類似的；當壓縮應(yīng)力恒定時，隨著橡膠質(zhì)量分數(shù)增加，該注漿結(jié)石體的彈塑性特征明顯，呈現(xiàn)一定程度的延性破壞。

提取不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的注漿結(jié)石體抗壓強度極限，如圖6 所示?？梢钥闯觯斚鹉z顆粒質(zhì)量分數(shù)發(fā)生變化時，注漿結(jié)石體的強度也發(fā)生明顯變化，隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)增加，其抗壓縮強度出現(xiàn)明顯降低。當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為10%、15%、20%時，抗壓強度隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)增加而緩慢降低。這是由于橡膠顆粒具有較強的憎水性，橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)增加使得拌和時自由水的量增加，導(dǎo)致粉煤灰的水化反應(yīng)程度更高[27]。根據(jù)試件內(nèi)部破壞結(jié)構(gòu)可以看出，橡膠顆粒與其他膠凝材料粘接程度較高，一定的橡膠顆粒摻入能夠填充注漿結(jié)石體內(nèi)部縫隙，提高其抗壓縮性能；當橡膠顆粒的質(zhì)量分數(shù)超過20%時，橡膠顆粒與其他膠凝材料混合不均勻，使得粉料間黏結(jié)能力下降，致使結(jié)石體抗壓強度急劇下降，為盡可能使用固廢，選用20%橡膠顆粒的質(zhì)量分數(shù)最為合適。

圖6 不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)下結(jié)石體抗壓強度變化Fig.6 Uniaxial compressive strength of grouting stones with different amounts of rubber particles

3.2.2 納米二氧化硅質(zhì)量分數(shù)對試樣強度影響情況

以橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)20%為例，其余條件不變，僅改變納米二氧化硅用量，制得相應(yīng)的注漿結(jié)石體，其抗壓強度變化情況如圖7 所示。

圖7 不同納米二氧化硅質(zhì)量分數(shù)下結(jié)石體抗壓強度變化Fig.7 Uniaxial compressive strength changes of different nanosilica content

從圖7 可以看出，制得的注漿結(jié)石體抗壓強度極限隨納米二氧化硅的質(zhì)量分數(shù)發(fā)生改變，強度極限呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。粉煤灰與激發(fā)劑在水中發(fā)生反應(yīng)，粉煤灰中SiO2和Al2O3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被打破，粉煤灰的活性被激發(fā)，激發(fā)后粉煤灰中的SiO2和Al2O3能夠與激發(fā)劑的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣以及水化硅鋁酸鈣等膠凝材料，而加入的納米二氧化硅與膠凝材料繼續(xù)反應(yīng)，生成CSH 凝膠，同時包裹在橡膠顆粒的周圍，進而填充注漿結(jié)石體孔隙結(jié)構(gòu)，增強了結(jié)石體的密實性，提高了注漿結(jié)石體的強度極限；從圖7 可以看出，當納米二氧化硅的質(zhì)量分數(shù)為1%時，不僅能提高注漿材料的和易性，還有利于填充孔隙提高強度極限，其質(zhì)量分數(shù)高于1%時，抗壓縮強度呈下降趨勢，且會增加用料成本，因此選用1%的納米二氧化硅質(zhì)量分數(shù)尤為合適。

3.2.3 注漿結(jié)石體破壞機制分析

注漿結(jié)石體的壓縮變形特征介于脆性和延性之間，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為3 個階段，即線彈性階段、彈塑性階段和塑性破壞階段，由圖5 所示。

1）線彈性階段。開始施加載荷，注漿結(jié)石體的應(yīng)變線性增加，可以說明該階段為彈性變形階段，結(jié)石體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性變化?？梢钥闯觯嗤d荷作用下，隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)增加，曲線斜率減小，載荷峰值對應(yīng)的應(yīng)變增大，表明橡膠顆粒摻入增強了結(jié)石體的彈性形變，提高了其前期抗壓縮的能力。

2）彈塑性階段。載荷繼續(xù)施加，結(jié)石體出現(xiàn)失穩(wěn)，可以觀察到其表面逐漸產(chǎn)生裂紋，此時應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生變化，呈現(xiàn)出非線性特征。當壓縮應(yīng)力超過其比例極限后，結(jié)石體進入到應(yīng)變硬化階段，抗壓縮能力持續(xù)增強，但對于相同的載荷增量，結(jié)石體自身變形較線彈性階段有較大增加，隨著載荷繼續(xù)施加，此時應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)下降，結(jié)石體出現(xiàn)塑性變形，且表面裂紋逐漸擴展，匯集成宏觀連續(xù)裂紋，結(jié)石體性能逐漸劣化，表面出現(xiàn)了部分剝落。

3）塑性破壞階段。荷載持續(xù)增加，表面原有裂紋擴展成裂縫并上下貫通，結(jié)石體塑性變形進一步擴大，此時結(jié)石體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率迅速增大，當達到抗壓強度極限時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全打破，整體喪失承載能力，結(jié)石體完全破壞。選取橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%、納米SiO2質(zhì)量分數(shù)為總質(zhì)量的1%的標準試樣，在單軸壓縮試驗中的過程如圖8 所示。由圖8 可以看出：剪切破壞為主要破壞形式，試樣在過荷載作用下產(chǎn)生剪切破壞面，隨著試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，整體產(chǎn)生了較大的體應(yīng)變。

圖8 橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%時注漿結(jié)石體單軸壓縮試驗結(jié)果Fig.8 Test condition of compressive strength of grouting stone body when the content of rubber particles is 20%

3.3 新型注漿材料微觀結(jié)構(gòu)分析

采用美國FEI 公司生產(chǎn)的APREO 型掃描電鏡對不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的注漿結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，分析其各組成物相的微觀形貌特征、膠結(jié)產(chǎn)物、裂隙發(fā)育情況，結(jié)合注漿結(jié)石體的強度變化從微觀尺度解釋其原因。圖9 為不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的注漿結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)。

圖9 不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的注漿結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstructure of grouted stone body with different rubber particle admixture

從圖9a、圖9b 可以看出，當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為5%和10%時，結(jié)石體內(nèi)部橡膠顆粒較少，由于橡膠顆粒的憎水性，使得粉料水化反應(yīng)充分，水化產(chǎn)物在激發(fā)劑作用下進一步產(chǎn)生了CSH 與CH 產(chǎn)物，內(nèi)部顆粒排列較為均勻；也由于橡膠顆粒摻入較少，填充孔隙程度較差，在結(jié)石體內(nèi)部產(chǎn)生了不規(guī)則的裂隙；從圖9c、圖9d 可以看出，當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為15%和20%時，注漿結(jié)石體內(nèi)部的橡膠顆粒分布較為均勻，橡膠顆粒的憎水性使得水分子包裹在橡膠顆粒表面形成隔水膜，粉料的水化反應(yīng)較充分，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物如鈣礬石、CH 與CSH 緊密包裹在橡膠顆粒周圍，增強了注漿材料內(nèi)部的致密性；從圖9e可以看出，當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為25%時，可以看出橡膠顆粒較多且混合不均勻，與水化產(chǎn)物的結(jié)合程度較差，注漿結(jié)石體內(nèi)部的黏結(jié)能力下降，內(nèi)部孔隙增加，抗壓強度下降明顯。通過上述結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：橡膠顆粒能起到骨料作用，且橡膠顆粒本身具有低強度高彈性的特征，以及橡膠顆粒與膠凝材料之間能夠產(chǎn)生摩阻力，有效增加注漿結(jié)石體的抗剪與抗壓性能；然而，當橡膠顆粒過多時，顆粒之間混合不均勻，結(jié)石體粘結(jié)程度受到影響，內(nèi)部黏結(jié)能力下降，致使結(jié)石體不能抵御較大的壓力和剪力。從分析結(jié)果與盡可能使用固廢來看，橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%時，注漿材料的力學(xué)性能達到最佳。

3.4 新型注漿材料穩(wěn)定性分析

煤層底板賦存地層復(fù)雜，底板水化學(xué)特性因不同地質(zhì)條件而不同[28]。注漿材料加固底板后會長期與礦井底板水接觸，考慮注漿結(jié)石體在礦井水下的長期穩(wěn)定性，根據(jù)前文試驗方法，對注漿結(jié)石體的穩(wěn)定性開展研究。礦井水（奧灰水）離子成分有Ca2+、Na+、K+、Mg2+、、、Cl-，注漿結(jié)石體礦井水下穩(wěn)定性的測試過程如圖10 所示。

圖10 礦井水養(yǎng)護條件下注漿結(jié)石體穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.10 Stability test results of grouted stone bodies under mine water conservation conditions

由圖10、圖11 可以看出，在浸泡1 d 時，結(jié)石體表面集聚大量氣泡，但整體未出現(xiàn)明顯變化；浸泡7 d后，結(jié)石體表面氣泡明顯減少，出現(xiàn)輕微脫落；浸泡時間為28 d 時，注漿結(jié)石體表面無明顯氣泡，出現(xiàn)明顯脫落。通過上述現(xiàn)象分析可知，由于結(jié)石體內(nèi)部含有少量CaO，CaO 與水發(fā)生反應(yīng)后，釋放大量OH-離子，OH-離子與礦井水中H+離子發(fā)生反應(yīng)，使水中的H+離子減少，導(dǎo)致水中的酸性降低，7 d 齡期后水中已從弱酸性轉(zhuǎn)變成弱堿性，減緩了注漿結(jié)石體在弱酸性環(huán)境下的腐蝕，使其穩(wěn)定性增強。

利用島津萬能試驗機對不同養(yǎng)護齡期的注漿結(jié)石體抗壓強度進行了測試，結(jié)果如圖12 所示，可以看出：在相同的橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)下，在礦井水環(huán)境下養(yǎng)護1 d 的結(jié)石體抗壓強度較未養(yǎng)護時下降了16.4%，較養(yǎng)護7 d 降低了32.7%，較養(yǎng)護28 d 下降了44.8%，且在養(yǎng)護7 d 后，注漿結(jié)石體的強度趨于平緩，未出現(xiàn)較大下降，也進一步說明了注漿結(jié)石體在礦井水環(huán)境下的穩(wěn)定性。實驗室模擬過程無法還原現(xiàn)實環(huán)境中的所有因素，但實驗室內(nèi)可以反映注漿結(jié)石體與礦井水化學(xué)反應(yīng)這一影響注漿結(jié)石體自身穩(wěn)定的最重要因素?？梢钥闯?，當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%時，注漿結(jié)石體在礦井水下的穩(wěn)定性較好，強度降低不明顯，待后期測定在動水作用下的穩(wěn)定性來進一步評價注漿結(jié)石體的穩(wěn)定性能。

圖12 注漿結(jié)石體養(yǎng)護齡期對結(jié)石體抗壓強度的影響Fig.12 Influence of the maintenance age of grouted concretions on the compressive strength of concretions

3.5 新型注漿材料抗?jié)B性分析

常規(guī)注漿結(jié)石體抗?jié)B測試方法有三軸滲透試驗和常規(guī)滲透試驗[29]。常規(guī)滲透試驗中通過擊實試驗制備在特定干密度下的均質(zhì)試樣，然后算取相應(yīng)干密度下試件的滲透系數(shù)，其可信度相對較高。常規(guī)滲透試驗可分為2 種，其中對于滲透性大(k＞10-3cm/s)的試樣，要用常水頭滲透試驗。而對于滲透性較小(k＜10-3cm/s)的試樣，則用變水頭滲透試驗。注漿材料的抗?jié)B性能由滲透系數(shù)和抗?jié)B壓力2 個指標表征，滲透系數(shù)的測定采用TST-55 型滲透儀來進行測定，抗?jié)B壓力采用SS-1.5 型砂漿滲透儀進行測定。變水頭滲透系數(shù)按下式計算：

式中：A 為變水頭管的斷面積，cm2；2.3 為ln 和log的變換因數(shù)；L為滲徑，即試樣高度，cm；t1，t2分別為測讀水頭的起始和終止時間，s；H1，H2為起始和終止水頭。

采用變水頭滲透試驗方法測定注漿材料的滲透系數(shù)，其試驗數(shù)據(jù)見表5。由表5 可知：注漿結(jié)石體的滲透系數(shù)隨著橡膠顆粒的增加逐漸變大，與純水泥漿相比，其初期滲透系數(shù)較大，但隨著時間的發(fā)展，滲透系數(shù)迅速降低，最終滲透系數(shù)與純水泥漿相近，均達到1×10-10m/s 級，具有良好的抗?jié)B性能。其主要原因是注漿結(jié)石體內(nèi)部橡膠顆粒的憎水性，使得粉料充分發(fā)生水化反應(yīng)，注漿結(jié)石體內(nèi)部存在較為均勻的氣泡，初期孔隙率較大，但隨著水解產(chǎn)物不斷產(chǎn)生，納米二氧化硅與水解產(chǎn)物再次發(fā)生反應(yīng)，生成CSH 凝膠，同時包裹在橡膠顆粒的周圍，對于內(nèi)部孔隙起到微填充的作用，形成良好的隔水效果，抗?jié)B性能增強。

表5 現(xiàn)有注漿材料滲透系數(shù)對比Table 5 Comparison of permeability coefficient of existing grouting materials

依照前文注漿材料的抗?jié)B性測試方法，對不同橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)的抗?jié)B特性進行測試。如圖13所示，該底板注漿材料的抗?jié)B壓力隨著橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)增加，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。其中，當橡膠顆粒質(zhì)量分數(shù)為20%時，注漿結(jié)石體抗?jié)B壓力為0.8 MPa，抗?jié)B等級達到P6 等級，具有良好的抗?jié)B性能，能夠滿足底板加固強度要求。

圖13 橡膠顆粒摻量對抗?jié)B壓力的影響Fig.13 Effect of different rubber particle content on osmotic pressure

4 結(jié) 論

1）利用正交試驗手段，以廢棄橡膠顆粒、粉煤灰與黏土為主料，輔以納米二氧化硅制備了一種新型底板注漿加固材料。通過對新型注漿材料進行流動度、抗壓強度、穩(wěn)定性與抗?jié)B性等性能測試，可以得出：當粉煤灰摻量為65%，廢棄橡膠顆粒摻量為20%，黏土為15%，納米二氧化硅摻量為注漿粉料的1%時，注漿材料性能完全能夠滿足底板巖層加固強度要求，具有很高的適用性和經(jīng)濟效益。

2）橡膠顆粒摻量對注漿結(jié)石體的強度影響最大，其次是對流動度的影響。橡膠顆粒主要能夠改善注漿結(jié)石體的容許應(yīng)變，提高了注漿結(jié)石體抵抗變形的能力；橡膠顆粒摻量能夠改善注漿材料的流動度，流動度隨著橡膠顆粒摻量的增加，而不斷降低。

3）基于固廢產(chǎn)物研制的新型底板注漿加固材料，目前是在實驗室中完成了相應(yīng)配比及性能參數(shù)的測試，還需要在礦井現(xiàn)場煤層底板裂隙注漿加固中實際應(yīng)用后進一步確定其效果，并完成后期的配比改進試驗等工作。